L&#39;échantillon irradié GaAs a été fourni par Cui Yang de l&#39;Université de l&#39;Illinois à Chicago. Ce travail a été soutenu au titre du contrat n ° DE-AC02-06CH11357 entre UChicago Argonne, LLC et le Département américain de l&#39;énergie et par la NASA grâce à des subventions et NNH08AH761 NNH08ZDA001N, et le Bureau des technologies des véhicules du Département américain de l&#39;énergie sous contrat DE-AC02 -06CH11357. La microscopie électronique a été réalisée au Centre de Microscopie Electronique for Materials Research de l&#39;Argonne National Laboratory, US Department of Energy Office of Science de laboratoire, exploité sous contrat DE-AC02-06CH11357 par UChicago Argonne, LLC.

1. Alignement du matériel pour General WLI balayage Pour obtenir des informations quantitatives par le biais WLI, les étapes suivantes peuvent servir de guide. On suppose que l&#39;opérateur possède une connaissance de base du fonctionnement de l&#39;interféromètre. Les lignes directrices sont communes quel que soit l&#39;instrument spécifique. Pour certaines enquêtes, l&#39;échantillon sera plat. Pour d&#39;autres, l&#39;échantillon peut être courbé. <ol><li> Placer l&#39;échantillon sur la scène avec la fonction (ions pulvérisés cratère, un faisceau ionique / spot ablation, ou porter des cicatrices) face vers le haut. Utilisez un objectif à faible grossissement et de se concentrer sur l&#39;instrument lui. Pour une meilleure résolution obtenir une image où l&#39;objet de l&#39;intérêt remplit largement l&#39;écran, voir Figure 2 pour un exemple d&#39;une balle. </li><li> Ajustez la position verticale de l&#39;échantillon de façon que les franges d&#39;interférence apparaissent près de la caractéristique d&#39;intérêt. Pour une surface plane, il est souhaitable que le spécimen est orienté de telle sorte que le plan est perpendicular rapport à l&#39;axe optique, c&#39;est à dire l&#39;écartement des franges est grande. Pour une surface courbe (par exemple une bille), l&#39;échantillon doit être orienté de telle sorte que les franges sont situés autour de l&#39;élément, comme dans la figure 3. </li><li> Obtenir un balayage conformément aux instructions de l&#39;instrument. Il peut être nécessaire d&#39;ajuster la hauteur de l&#39;éclairage ou de numérisation afin d&#39;obtenir la meilleure carte topographique. Remplissez les données incorrectes ou manquantes à l&#39;aide de la fonction interpoler, puis enregistrez la carte topographique. </li></ol> 2. Analyse volume à l&#39;aide du logiciel générique En tribologie, machines d&#39;essais emploient souvent non conformes géométries tests de contact comme une boule ou un cylindre qui est glissée ou tournée contre un cylindre plat ou d&#39;une autre. En règle générale, le matériel est perdu au point de contact glissant, bien que parfois matériau peut passer d&#39;une surface à une autre, et cette «couche de transfert» sera mesuré comme un surplus de matière sur lee des échantillons de contact. Parce que la cicatrice d&#39;usure est en trois dimensions et irrégulières dans la nature, profilométrie optique peut être la seule technique appropriée pour obtenir des mesures précises du volume d&#39;usure - approximations sont pas valides. L&#39;objectif est de mesurer les très faibles quantités de matière qui peut être perdu (ou gagné) dans la zone de contact à la fin de l&#39;essai. Le principe de base de la mesure est de définir un plan mathématique au niveau de la surface initiale: le logiciel d&#39;analyse de surface suppose qu&#39;il existe une «surface solide» (niveau zéro), quelle que soit au-dessus de ce niveau est «vide». La fonction d&#39;analyse qui mesure le volume intégré enlevé en dessous du plan de la «surface solide» sera dénommé «volume mort». La fonction qui permet de mesurer le volume intégré au-dessus du plan de la «surface solide&quot; (par exemple l&#39;accumulation de débris) sera appelé le &quot;volume important&quot;. Réels surfaces intactes are rarement parfaitement lisse et plat. Pour une meilleure précision dans la mesure de petits éléments, il est recommandé de définir une zone d&#39;intérêt (AOI), la zone à l&#39;extérieur de ce qui est exclu de l&#39;analyse. L&#39;AOI est utilisé pour restreindre la zone de mesure en raison des irrégularités de la surface de contribuer volume supplémentaire pour les calculs qui n&#39;est pas vraiment de la zone perturbée. 3. Surface plane - Analyse usure mécanique <ol><li> L&#39;analyse du volume d&#39;une surface plane avec une cicatrice tranchée ou la dépression, qu&#39;elle soit générée par l&#39;usure mécanique, faisceau d&#39;ions, ou l&#39;ablation laser, est facile à réaliser. Obtenir une image telle que la figure 4 qui montre à gauche une cicatrice mécanique sur une surface en acier poli. Sélectionnez un AOI, qui exclut la dépression et ensuite utiliser ce que l&#39;inclinaison et / ou fonction de suppression courbure est disponible pour niveler la surface tranquille de planéité maximum. Ensuite, utilisez le logiciel pour régler la hauteur moyenne de la surface à Z =0. Figure 4 est une vue en pseudo-droit d&#39;une cicatrice sur une surface plane après ces étapes. Dans cette perspective, le &quot;volume des vides&quot; exclus est teintée de rouge. Dans ce jeu de couleurs, le brun foncé indique les zones basses, tandis que l&#39;orange indique les zones élevées. </li><li> Supprimer l&#39;AOI. Si le logiciel dispose d&#39;une fonction de mesure automatique des volumes, placez une région de mesure sur la cicatrice. Dans ce logiciel, la fonction de mesure compterons le «vide et le volume de matériau&quot; montré avec une teinte bleue dans la Figure 5. Usure totale est de «volume important» au dessus du plan soustraite de &quot;volume vide.&quot; Il s&#39;agit de la variation de volume de la surface perturbée. (Pour les logiciels qui ne possède pas cette fonction, mais il possède un histogramme, ou de visualiser clairement les zones qui sont élevés au-dessus de la surface ou sous la surface sont, ignorez l&#39;étape 3.2 et passez à l&#39;étape 3.3.) </li></ol> Les trois étapes suivantes décrivent une méthode alternative de mesure du volume d&#39;usure. <ol start="3"><li> Inverser l&#39;AOIà partir de l&#39;étape 3.1 pour permettre à la région de la cicatrice à analyser (la cicatrice est inclus maintenant). </li><li> Générer un histogramme des données. L&#39;histogramme est un graphique de la hauteur verticale sur l&#39;axe des abscisses vs la fréquence d&#39;apparition sur l&#39;axe des ordonnées. Placez un curseur à la position de Z = 0 (figure 6 gauche). Cela peut ne pas être à la pointe de l&#39;histogramme. Dans cette figure, les curseurs ont été mis en place pour analyser de manière sélective uniquement le matériel manquant en dessous du plan. Le logiciel intègre le volume total entre les deux curseurs. La zone rouge teinté montre ce qui est omis. Les zones orange non teinté dans la figure 6 droite sont en dessous de la surface. La fonction de l&#39;histogramme doit générer un &quot;volume mort&quot; nombre avec les curseurs disposés comme illustré à mesurer la perte de matière à partir de la surface. </li><li> En utilisant le même histogramme, placer le curseur autre moment dans la position de hauteur Z = 0 (figure 7 gauche), et d&#39;autre part à l&#39;extrémité opposée. Les zones orange non teinté dans <strong&gt; Figure 7 ci-dessus sont à droite de la surface. La fonction histogramme devrait générer un «volume important» nombre, leur matériau excédentaire soit élevé au-dessus de la surface plane. Usure totale est &quot;volume de matériau&quot; soustrait &quot;volume vide», le même que dans l&#39;étape 3.2. La méthode par histogramme devrait donner le volume d&#39;usure comme à l&#39;étape 3.2, mais il fournit des détails supplémentaires sur la distribution de matériel levée et abaissée, et montre une carte de la répartition de cette région. </li></ol> Dans l&#39;exemple ci-dessus il n&#39;y a pas de matériel net perdu de la cicatrice d&#39;usure, à la place il ya un gain matériel. C&#39;est inhabituel, mais se produit parfois lorsque le matériau transfère d&#39;une contre-face essai à l&#39;autre. Les mêmes &quot;plates&quot; caractérisation de surface approches sont bénéfiques pour l&#39;obtention de volumes retirés dans des expériences avec pulvérisation ionique et l&#39;ablation laser, considéré dans les exemples qui suivent. 4. Surface plane - Cratères et Ion Beam ProMesures fichiers pour estimer le rendement de pulvérisation, et pour effectuer temps-profondeur d&#39;étalonnage Comme alternative à la méthode connue et largement utilisée pour estimer les rendements de pulvérisation en utilisant la méthode de perte de masse, basé sur la pesée directe ou microcristaux de quartz équilibre, 8, 9, nous trouvons que la méthode WLI est utile pour la visualisation directe du faisceau d&#39;ions pulvérisés taches / cratères obtenus par pulvérisation statique / trame de balayage d&#39;un faisceau d&#39;ions. Figure 8 compare les coupes longitudinales d&#39;un point (vert solides et bleu pointillé) d&#39;une incidence normale statique 5 keV et 150 eV Ar + faisceaux d&#39;ions contre leurs cratères (olive ouvert cercles et cyan losanges vides) obtenue par 100 × 100 pixels de balayage trame numérique du faisceau d&#39;ions sur la même surface d&#39;un Cu (110) monocristallin. La courbe correspondant aux faisceaux statiques chevauche un bord du cratère pour montrer comment balayage de trame du faisceau d&#39;ions produit par pulvérisation cathodique pendant le cratère depth profilage. 5. Surface plane - Caractérisation de l&#39;ablation laser ultrarapide Laser ultra-rapide d&#39;ablation est reconnue comme une méthode pour enlever de la matière de l&#39;état solide tout en minimisant la zone affectée par la chaleur. 10 Ce processus permet micro-usinage taux élevé avec des rapports d&#39;aspect élevés et des dommages minimes (craquage, oxydation) pour le reste du matériel, et ouvre la possibilité de l&#39;ablation efficace des matériaux transparents. 11 Plus récemment, l&#39;intérêt s&#39;est développé en utilisant l&#39;ablation ultrarapide comme outil d&#39;analyse. 12-15 La non-linéarité élevée du processus d&#39;ablation fournit également un moyen de réduire la taille du spot ablation nettement inférieur à la taille du point irradié ( comme c&#39;est généralement définie par 1 / e 2) et même en dessous de la limite de diffraction, comme cela a été démontré. résolution 16 de profondeur, tout en n&#39;étant pas en concurrence avec les meilleures méthodes de faisceaux d&#39;ions, peut être &lt;20 nm. Les taux d&#39;élimination peut être facilement augmenténon linéairement en augmentant la fluence du laser, de sorte que le profilage très rapide à travers microns de matériau est possible. Idéalement, la caractérisation de l&#39;enlèvement de matière par ablation ultra-rapide nécessite une technique qui est rapide et quantitative et bien calibrée, toutes les caractéristiques remplies par WLI. La figure 9 montre des images pseudocolor de deux cratères voisins formés par ablation répétitive de GaAs avec un ultra-rapide (60 fs, 800 nm) du faisceau laser focalisé en un spot de ≈ 8 pm et ayant des fluences correspondant à 0,4 et 1,0 J / cm 2. 6. Surfaces courbes - Analyse usure mécanique L&#39;analyse du volume d&#39;une surface courbe régulière (bille ou cylindre) est similaire à celle d&#39;une villa, mais nécessite l&#39;enlèvement courbure. Le protocole ci-dessous montre l&#39;analyse d&#39;une marque d&#39;usure circulaire sur une bille d&#39;acier. Pour trouver le volume perdu par une balle, il est nécessaire de faire un traitement mathématique pour transformer une balle avec unzone plate dans un plan plat avec une indentation, puis de mesurer le volume de l&#39;empreinte comme dans la section 3 sur les surfaces planes. Une cicatrice d&#39;usure sur une boule sera mesuré, d&#39;abord en utilisant la technique plus simple automatique, puis avec la technique des histogrammes. <ol><li> Figure 10 gauche montre une vue isométrique d&#39;une cicatrice d&#39;usure sur un ballon. Sélectionnez un AOI qui exclut la cicatrice d&#39;usure, et sélectionnez l&#39;outil courbe de logiciel d&#39;adaptation qui va transformer la surface de sorte que c&#39;est une dépression usée au milieu d&#39;une zone non perturbée plat. Parce que le retrait courbure peut être une technique itérative, il peut être nécessaire d&#39;exécuter plusieurs fois plusieurs ajustement pour que la zone non perturbée est à plat nm Précision du niveau. Toute non-uniformité visible en dehors de la marque d&#39;usure indique un problème et le calcul ne sera pas correcte. Réglez la hauteur moyenne en dehors de la cicatrice à Z = 0. Figure 10 droite montre une vue en pseudo de la cicatrice après l&#39;enlèvement courbure et réglage Z = 0 avec un AOI correctementmasquage de la zone usée. </li><li> Utilisez l&#39;outil de mesure, le cas échéant, d&#39;analyser l&#39;usure, comme le montre la figure 11. Volume d&#39;usure totale est &quot;volume de matériau&quot; soustrait du &quot;volume des vides.&quot; </li></ol> Les étapes suivantes décrivent une méthode alternative de mesure du volume d&#39;usure. <ol start="3"><li> De la même manière que l&#39;étape 3.3, inverser la ZI de sorte que la cicatrice d&#39;usure est inclus. Générer un histogramme des données. Placez un curseur à la position de Z = 0 (figure 12 à gauche). Les zones orange non teinté dans la figure 12 de droite sont en dessous de la surface. La fonction histogramme devrait générer un &quot;volume mort&quot; nombre. </li><li> En utilisant le même histogramme, placer le curseur autre moment dans la position de hauteur Z = 0 (figure 13 gauche), et d&#39;autre part à l&#39;extrémité opposée. Les zones orange non teinté dans la figure 13 droite dessus de la surface. La fonction histogramme devrait générer un «volume important» numéro. Totalporter le volume est &quot;volume de matière&quot; au-dessus du plan soustraite de &quot;volume vide», le même que dans l&#39;étape 3.2. La méthode par histogramme doit calculer le volume d&#39;usure comme à l&#39;étape 6.2, mais il fournit des détails supplémentaires sur la distribution de matériel levée et abaissée, et montre une carte de la répartition de cette région. </li></ol>

Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

Exemple 1 WLI n&#39;est pas largement utilisée pour la caractérisation tribologique de surface dans le travail, mais il est en fait une méthode puissante pour la mesure quantitative des volumes d&#39;usure pour de nombreuses géométries de contact. WLI produit une représentation en 3D de la surface qui peut être analysée en utilisant un des nombreux logiciels de visualisation. Ces paquets permettre différents types de mesures à effectuer. Pour une résolution latérale supérieure, les...

La surface des matériaux solides détermine les propriétés d&#39;un dans une large mesure de l&#39;intérêt pour ces matériaux: électronique, structurellement et chimiquement. Dans de nombreux domaines de la recherche, l&#39;ajout de matière (par exemple, dépôt de couches minces par impulsions laser / pulvérisation magnétron de dépôt, physique / chimique en phase vapeur), un enlèvement de matière (gravure ionique réactive, la pulvérisation d&#39;ions, ablation au laser, etc), ou d&#39;autres processus, doivent être caractérisés. En outre, la modification de surface par l&#39;interaction avec des impulsions de lumière ou de particules chargées énergétiques a de nombreuses applications et est d&#39;un intérêt fondamental. Tribologie, l&#39;étude du frottement et à l&#39;usure, est un autre domaine d&#39;intérêt. Sur une échelle de paillasse, une multitude de géométries tests tribologiques exister. Géométries de contact non conforme peuvent être utilisés, et une bille ou d&#39;un cylindre peut être glissée ou tournée contre une surface plane, l&#39;autre bille ou cylindre, sur une longueur de temps, et la quantité de matière qui est enlevée est measured. Parce que la cicatrice d&#39;usure est en trois dimensions et irrégulière dans la nature, profilométrie optique peut être la seule technique appropriée pour obtenir des mesures précises de volumes d&#39;usure. Tâches d&#39;analyse communs incluent également des paramètres de rugosité de surface, hauteur étape, la perte de volume du matériau, la profondeur des tranchées, et ainsi de suite; chacun d&#39;entre eux peut être obtenu en plus de la visualisation topographie simple 2D et 3D. Profilométrie optique se rapporte à un procédé optique qui est utilisé pour reconstruire le profil de surface. Profilométriques méthodes comprennent interférométrique lumière blanche, laser, ou des méthodes confocale. Certains profilomètres optiques d&#39;obtenir des informations à travers des approches classiques basées sur des objectifs de microscope à diffraction limitée. Par exemple, un laser à balayage peut être intégré avec un microscope afin d&#39;obtenir des informations de couleur topographique et véritable de surfaces. Une deuxième méthode utilise une technique qui exploite la profondeur extrêmement faible de mise au point des objectifs conventionnels pour assembler un series de de mise au point &quot;tranches&quot; d&#39;image de la surface pour obtenir une carte topographique en 3D. Dans ce travail, nous montrons comment une lumière blanche microscope interférométrique / profilomètre permet la mesure de la quantité de matière perdue au cours des processus d&#39;usure mécanique, ou au cours de procédés de gravure de matériaux tels que les cratères de pulvérisation d&#39;ions ou d&#39;ablation au laser. La plus grande attention est accordée à la méthodologie de cette méthode pour illustrer sa grande capacité installée qui le rend largement accessible et attrayant pour de nombreuses applications. La plupart des types de WLI employer la technique de Mirau, qui utilise un miroir intérieur de l&#39;objectif de microscope à des interférences entre un signal lumineux de référence et la lumière réfléchie par la surface de l&#39;échantillon. Le choix de Mirau interférométrie est dictée par simple commodité, car l&#39;interféromètre toute Mirau peut être monté à l&#39;intérieur de l&#39;objectif de microscope et couplé à un microscope optique ordinaire (figure 1). Une série de deux inter-dimensionnelleferograms sont acquises avec une caméra vidéo et un logiciel assemble une carte topographique en 3D. La source de lumière blanche fournit un éclairage à large spectre qui aide à surmonter l &#39;«ordre frange&quot; ambiguïté inhérente à une source monochromatique. Une source de lumière monochromatique peut être utilisé pour obtenir une mesure plus précise de caractéristiques topographiques peu profondes. La résolution latérale est fondamentalement limitée à λ / 2 (ouverture numérique, NA = 1), mais dans la plupart des cas est plus grande, étant déterminée par le NA de l&#39;objectif, qui est à son tour relié à un grossissement / champ de vue taille. Tableau 1 dans Réf. 1 a une comparaison directe de tous les paramètres mentionnés. Approches résolution en profondeur ≈ 1 nm, étant fonction de la nature de la technique interférométrique. Plus d&#39;informations sur Mirau WLI peuvent être trouvés dans les références. 2, 3. Une introduction sur blanc approche interférométrique lumière peut être trouvée dans la référence. 4. D&#39;autres méthodes d&#39;analyse de surfaces sont atomiques forcmicroscopie électronique (AFM), microscopie électronique à balayage (MEB), et la profilométrie stylet. La technique WLI se compare favorablement à ces méthodes et a ses propres avantages et inconvénients qui sont dues à la nature de la méthode optique. L&#39;AFM est capable d&#39;obtenir des images 3D et donc des sections transversales correspondantes, mais AFM a une capacité limitée de balayage dans le sens latéral (&lt;100 pm) et la profondeur (&lt;10 um) axes. Contrairement à ceux-ci, le principal avantage de WLI est la souplesse champ de vision (FOV) pouvant aller jusqu&#39;à quelques millimètres simultanée capacité d&#39;imagerie 3D réel. En outre, comme nous allons le démontrer qu&#39;elle a une grande capacité de plage de balayage vertical, permettant de résoudre une variété de problèmes de modification de surface simplement. Les chercheurs qui ont travaillé avec l&#39;AFM sont conscients du problème avec le positionnement en plan d&#39;un échantillon lors de la mesure des caractéristiques prolongées de faibles gradients verticaux. En règle générale, on peut penser WLI / OP comme un «express» technique par rapport à l&#39;AFM. Bien sûr, il ya desun certain nombre de domaines pour lesquels seule l&#39;AFM est approprié: lorsque les caractéristiques latéraux à résoudre ont des dimensions caractéristiques plus petites que la résolution latérale de WLI, ou dans les cas où les données de WLI est ambiguë en raison de inconnus ou complexes propriétés optiques d&#39;un échantillon d&#39;une manière qui affecte la précision des mesures (à voir plus loin), etc Le SEM est un moyen puissant pour regarder surfaces, en étant très flexible en termes de taille de champ de vision avec une grande profondeur de mise au point, plus grand que n&#39;importe quel microscope optique classique peut offrir. Dans le même temps, l&#39;imagerie 3D par MEB est lourd, particulièrement en ce qui nécessite de prendre des paires stéréo-images qui sont ensuite converties en images en 3D par la méthode anaglyphe, ou par l&#39;observation des visionneuses optiques, ou utilisés pour le calcul direct des profondeurs entre les différents points d&#39;intérêt sur ​​un échantillon. 5 En revanche, WLI / OP profilométrie propose des services faciles à utiliser simultanément la reconstruction 3D avec souplesse FOV. WLI balaie la totalitéportée en hauteur nécessaire pour l&#39;échantillon particulier (à partir de nanomètres à plusieurs centaines de microns). WLI n&#39;est pas affectée par la conductivité électrique du matériau d&#39;échantillon, qui peut être un problème avec SEM. WLI n&#39;est manifestement pas un vide. D&#39;un autre côté, il ya un certain nombre d&#39;applications pour lesquelles SEM fournit des informations de qualité supérieure: caractéristiques latéraux à résoudre des dimensions caractéristiques ci-dessous la résolution latérale WLI, ou les cas où différentes parties d&#39;un échantillon peut être topographiquement se distinguent uniquement lorsque les coefficients d&#39;émission d&#39;électrons secondaires diffèrent. Une autre technique pour l&#39;inspection de surface, ce qui est largement utilisé dans la spectrométrie de masse d&#39;ions secondaires 6 et dans le domaine de la caractérisation des systèmes de micro-électromécanique 7 est stylet profilométrie. Cette technique est très populaire en raison de sa simplicité et de robustesse. Il est basé sur le balayage contact mécanique direct d&#39;une pointe de stylet sur la surface de l&#39;échantillon. Il s&#39;agit d&#39;un outil de contact grossier, Qui est capable de balayer le long d&#39;une seule ligne à la fois. Il rend la surface 3D à balayage récurrent d&#39;imagerie extrêmement chronophage. Un autre inconvénient de la technique du stylet est la difficulté de mesurer les caractéristiques de surface de rapport d&#39;aspect élevé et d&#39;une taille comparable à sa taille d&#39;embout caractéristique (taille inférieure au micron à quelques microns généralement) qui implique un rayon de pointe et un angle de sommet de la pointe. Un avantage de stylet profilométrie est son insensibilité à la variation des propriétés optiques d&#39;un échantillon, ce qui peut affecter la précision de WLI / OP mesures (nous parlerons plus loin). Les cartes de surface dans le présent article ont été obtenus selon un procédé classique de type Mirau WLI (Figure 1). De nombreuses entreprises telles que Zygo, KLA-Tencor, les nanosciences, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker, et Taylor Hobson produire commerciales de table instruments OP. Les cartes acquises ont été reconstruits et traitées en utilisant un logiciel commercial d&#39;un type qui est couramment utilisé pour WLI, électronique à balayage, or microscopie à sonde. Le logiciel a la capacité d&#39;effectuer des manipulations mathématiques de la surface, traversez le profil de la section d&#39;analyse, nulle et calculs de volumes importants, et la correction d&#39;avion. Les autres logiciels peuvent automatiser certaines de ces caractéristiques.

<table border="1"><tbody><tr><td> Monocristallin des substrats de Si, GaAs et Cu </td><td></td><td></td><td> pour la pulvérisation et l&#39;ablation </td></tr><tr><td> Alliages de métaux purs </td><td></td><td></td><td> pour des exemples de tribologie </td></tr></tbody></table>

characterization of surface modifications by white light interferometry: applications in ion sputtering, laser ablation, and tribology experiments

En science et génie des matériaux, il est souvent nécessaire d&#39;obtenir des mesures quantitatives de la topographie de surface avec une résolution micrométrique latéral. De la surface mesurée, des cartes topographiques en 3D peuvent ensuite être analysées en utilisant une variété de logiciels pour extraire les informations dont on a besoin. Dans cet article, nous décrivons comment l&#39;interférométrie en lumière blanche, et la profilométrie optique (OP) en général, associée à un logiciel d&#39;analyse de surface générique, peut être utilisée pour la science des matériaux et les tâches d&#39;ingénierie. Dans cet article, un certain nombre d&#39;applications de l&#39;interférométrie en lumière blanche pour enquêter sur les modifications de surface en spectrométrie de masse et phénomènes d&#39;usure et de la lubrification en tribologie sont démontrés. On caractérise les produits de l&#39;interaction des semi-conducteurs et les métaux avec des ions énergétiques (pulvérisation cathodique), et l&#39;irradiation laser (ablation), ainsi que les anciens mesures in situ de l&#39;usure des éprouvettes tribologiques. </p&gt; Plus précisément, nous allons discuter: <ol class="lroman"><li> Les aspects de la spectrométrie de masse traditionnelle pulvérisation ionique à base tels que les taux de pulvérisation / mesures rendements sur Si et Cu et après le temps-profondeur de conversion. </li><li> Résultats de caractérisation quantitative de l&#39;interaction du rayonnement laser femtoseconde avec une surface semi-conductrice. Ces résultats sont importants pour des applications telles que la spectrométrie de masse ablation, où les quantités de matière évaporée peut être étudié et contrôlé par durée d&#39;impulsion et de l&#39;énergie par impulsion. Ainsi, en déterminant la géométrie du cratère, on peut définir la résolution en profondeur et latéralement par rapport aux conditions expérimentales de configuration. </li><li> Mesures des paramètres de rugosité de surface en deux dimensions, et des mesures quantitatives de l&#39;usure de la surface qui se produisent à la suite de tests de frottement et d&#39;usure. </li></ol> Certains inconvénients inhérents, des artefacts possibles, et les évaluations des incertitudes de la lumière blancheapproche interférométrie seront discutés et expliqués.

<html><img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/50260/50260fig1.jpg" /> Figure 1 Photographie d&#39;un profilomètre simple utilisé dans la présente étude:. Une tourelle à objectifs multiples est vu dans l&#39;image. Deux objectifs sont standard (10x et 50x), et deux sont des objectifs Mirau (10x et 50x). Ce microscope possède une fonction de grossissement intermédiaire qui permet aux multiplicateurs d&#39;agrandissement étape-sages de ...

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Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

Blanc interférométrie microscope optique est une méthode optique, sans contact et rapide de mesure de la topographie de surface. Il est montré comment la méthode peut être appliqué à l&#39;analyse usure mécanique, où l&#39;usure des cicatrices sur échantillons tribologiques sont analysés, et en science des matériaux pour déterminer pulvérisation par faisceau d&#39;ions ou des volumes d&#39;ablation laser et profondeurs.

Caractérisation des modifications de surface par interférométrie en lumière blanche: Applications de pulvérisation ionique, ablation laser, tribologie et expériences

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

characterization-surface-modifications-white-light-interferometry

Research

JoVE Journal

Engineering

15.5K vues.  Argonne National Laboratory. Blanc interférométrie microscope optique est une méthode optique, sans contact et rapide de mesure de la topographie de surface. Il est montré comment la méthode peut être appliqué à l'analyse usure mécanique, où l'usure des cicatrices sur échantillons tribologiques sont analysés, et en science des matériaux pour déterminer pulvérisation par faisceau d'ions ou des volumes d'ablation laser et profondeurs.

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Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Fabrication et caractérisation de guides d&#39;ondes à cristal photonique lumière lente et les cavités

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

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Ingénierie

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. During insertion or removal of alkali metal ions, the redox states of transition metals in the compounds change and structural transformations such as phase transitions and/or lattice parameter increases or decreases occur. These behaviors in turn determine important characteristics of the batteries such as the potential profiles, rate capabilities, and cycle lives. The extremely bright and tunable x-rays produced by synchrotron radiation allow rapid acquisition of high-resolution data that provide information about these processes. Transformations in the bulk materials, such as phase transitions, can be directly observed using X-ray diffraction (XRD), while X-ray absorption spectroscopy (XAS) gives information about the local electronic and geometric structures (e.g.&#160;changes in redox states and bond lengths). In situ experiments carried out on operating cells are particularly useful because they allow direct correlation between the electrochemical and structural properties of the materials. These experiments are time-consuming and can be challenging to design due to the reactivity and air-sensitivity of the alkali metal anodes used in the half-cell configurations, and/or the possibility of signal interference from other cell components and hardware. For these reasons, it is appropriate to carry out ex situ experiments (e.g.&#160;on electrodes harvested from partially charged or cycled cells) in some cases. Here, we present detailed protocols for the preparation of both ex situ and in situ samples for experiments involving synchrotron radiation and demonstrate how these experiments are done.

We describe the use of synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray diffraction (XRD) techniques to probe details of intercalation/deintercalation processes in electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries. Both in situ and ex situ experiments are used to understand structural behavior relevant to the operation of devices

Caractérisation des Matériaux pour électrodes au lithium-ion et ion sodium utilisant des techniques de rayonnement synchrotron

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Selective Area Modification de la Silicon mouillabilité de surface par irradiation laser pulsé UV en milieu liquide

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compact numérique Holographic Microscope pour les MEMS Inspection et caractérisation de Lens-moins

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

Fabrication d&#39;impression de gros hétérojonction cellules solaires et<em&gt; In Situ</em&gt; Morphologie Caractérisation

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Fabrication of White Light-emitting Electrochemical Cells with Stable Emission from Exciplexes

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active layer which consists of blue-fluorescent poly(9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl) (PFD) and &#960;-conjugated triphenylamine molecules. This white light emission originates from exciplexes formed between PFD and amines in electronically excited states. A device containing PFD, 4,4&#39;,4&#39;&#39;-tris[2-naphthyl(phenyl)amino]triphenylamine (2-TNATA), Poly(ethylene oxide) and K2CF3SO3 showed white light emission with Commission internationale de l&#39;&#233;clairage (CIE) coordinates of (0.33, 0.43) and a Color Rendering Index (CRI) of Ra = 73 at an applied voltage of 3.5 V. Constant voltage measurements showed that the CIE coordinates of (0.27, 0.37), Ra of 67, and the emission color observed immediately after application of a voltage of 5 V were nearly unchanged and stable after 300 sec.

The authors present a method for fabricating stable white-light-emitting electrochemical cells utilizing emission from exciplexes formed between a blue-emitting fluorene polymer and aromatic amines.

Fabrication de lumière blanche émettant des cellules électrochimiques avec des émissions de Stable exciplexes

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

Fabrication de microsphères polymères pour résonateurs optiques et applications laser

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due to their long coherence time and their capability to manipulate and detect individual quantum bits (qubits). In more recent years, microfabricated surface ion traps have received more attention for large-scale integrated qubit platforms. This paper presents a microfabrication methodology for ion traps using micro-electro-mechanical system (MEMS) technology, including the fabrication method for a 14 &#181;m-thick dielectric layer and metal overhang structures atop the dielectric layer. In addition, an experimental procedure for trapping ytterbium (Yb) ions of isotope 174 (174Yb+) using 369.5 nm, 399 nm, and 935 nm diode lasers is described. These methodologies and procedures involve many scientific and engineering disciplines, and this paper first presents the detailed experimental procedures. The methods discussed in this paper can easily be extended to the trapping of Yb ions of isotope 171 (171Yb+) and to the manipulation of qubits.

This paper presents a microfabrication methodology for surface ion traps, as well as a detailed experimental procedure for trapping ytterbium ions in a room-temperature environment.

Méthodes expérimentales de piégeage d’Ions à l’aide de microfabriques pièges à ions de Surface

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...

Production and Characterization of Vacuum Deposited Organic Light Emitting Diodes

A method for producing simple and efficient thermally-activated delayed fluorescence organic light-emitting diodes (OLEDs) based on guest-host or exciplex donor-acceptor emitters is presented. With a step-by-step procedure, readers will be able to repeat and produce OLED devices based on simple organic emitters. A patterning procedure allowing the creation of personalized indium tin oxide (ITO) shape is shown. This is followed by the evaporation of all layers, encapsulation and characterization of each individual device. The end goal is to present a procedure that will give the opportunity to repeat the information presented in cited publication but also using different compounds and structures in order to prepare efficient OLEDs.

A protocol for the production of simple structured organic light-emitting diodes (OLEDs) is presented.

Production et caractérisation du vide a déposé des Diodes électroluminescentes organiques

A method for producing simple and efficient thermally-activated delayed fluorescence organic light-emitting diodes (OLEDs) based on guest-host or exciplex ...

Shaping the Amplitude and Phase of Laser Beams by Using a Phase-only Spatial Light Modulator

The aim of this article is to visually demonstrate the utilization of an interferometric method for encoding complex fields associated with coherent laser radiation. The method is based on the coherent sum of two uniform waves, previously encoded into a phase-only spatial light modulator (SLM) by spatial multiplexing of their phases. Here, the interference process is carried out by spatial filtering of light frequencies at the Fourier plane of certain imaging system. The correct implementation of this method allows arbitrary phase and amplitude information to be retrieved at the output of the optical system.
It is an on-axis, rather than off-axis encoding technique, with a direct processing algorithm (not an iterative loop), and free from coherent noise (speckle). The complex field can be exactly retrieved at the output of the optical system, except for some loss of resolution due to the frequency filtering process. The main limitation of the method might come from the inability to operate at frequency rates higher than the refresh rate of the SLM. Applications include, but are not limited to, linear and non-linear microscopy, beam shaping, or laser micro-processing of material surfaces.

We show how to encode the complex field of laser beams by using a single phase element. A common-path interferometer is employed to mix the phase information displayed into a phase-only spatial light modulator to finally retrieve the desired complex field pattern at the output of an optical imaging system.

Façonner l’Amplitude et la Phase des rayons Laser à l’aide d’un modulateur de lumière Spatial Phase uniquement

The aim of this article is to visually demonstrate the utilization of an interferometric method for encoding complex fields associated with coherent laser ...